μC/OS-II在PC机上移植的设计与实现

1 引言

μC/OS-II是专门为嵌入式系统应用而设计的嵌入式实时操作系统，人们在学习μC/OS-II时，一开始往往在基于PC机的DOS或 Windows环境下进行分析与研究。在这种环境中，带有μC/OS-II内核的应用系统（简称μC/OS-II应用系统）的运行，让人觉得它好像是一个 DOS程序，人们无法真实地领略实时操作系统的面貌。实际上，在PC机的DOS或Windows环境中，μC/OS-II应用系统确实是一个DOS可执行程序，它的运行离不开DOS或Windows环境。为了让更多的人掌握和理解μC/OS-II实时操作系统，笔者对μC/OS-II进行移植，使其完全脱离DOS或Windows环境而运行。首先设计Bootloader引导程序，由它来装入μC/OS-II应用系统；其次修改BORLAND C++编译器中的EXE启动代码，剥去与DOS相关的代码；最后修改μC/OS-II内核代码中与硬件平台相关部分的代码，使其能正常运行和正常退出。

2 bootloader的设计

Bootloader引导程序的设计是嵌入式系统软件开发的一个重要环节，它把操作系统和硬件平台衔接在一起，通过初始化硬件设备、建立内存空间映射，为最终加载操作系统内核建立正确的环境。由于Bootloader的实现依赖于CPU的体系结构，因此大多数初始化引导程序分为两部分，第一部分主要包含依赖于CPU体系结构的硬件初始化代码，第二部分实现的功能比第一部分更多更复杂，它为内核程序准备运行的环境，将内核装入到指定位置，并转到内核处运行。本文设计的Bootloader也是由两部分构成，一部分称作BOOT的引导记录，另一部分是LOADER装入程序。BOOT的大小固定为512个字节，作为引导记录存放在软盘的0面0磁道1扇区，它所实现的功能是在软盘的目录区中寻找LOADER文件，并将LOADER装入到内存中，然后由 LOADER负责初始化工作环境并引导内核的运行。

软盘采用FAT文件系统，并对它进行格式化，使用工具将BOOT写到0面0磁道1扇区中，将LOADER和μC/OS-II应用系统程序复制到软盘中，然后用软盘启动系统，就能观察到μC/OS-II实时操作系统的运行情况，它完全脱离了DOS运行环境。同样，也可以通过Bochs、QEMU或 VMware等虚拟机做一个磁盘映像文件，用BOOT替换该映像文件的前512个字节，将LOADER和μC/OS-II应用系统复制到该映像文件中，然后就可以在虚拟机中完成系统的启动。这样，在每次修改程序后，不需要重新启动机器来验证系统的正确性，而只需要调整映像文件，在虚拟机中重启系统即可，使用虚拟机使内核的修改和调试变得十分容易。

2.1 BOOT的设计

当PC机加电后，首先进行自检，然后寻找启动盘，如果从软盘启动，计算机读取软盘的0面0磁道1扇区的内容，若该扇区最后两个字节是0x55、 0xaa，则其为引导扇区，计算机将其内容装入到内存地址0x7c00开始处，并转到该处运行。因BOOT只能占用一个扇区，其大小固定为512个字节，其实现的功能受到限制，所以BOOT的主要功能是在磁盘的目录区中寻找LOADER程序，并将其装入到内存中，最后将CPU的控制权交给LOADER，其后的任务就由LOADER完成。BOOT程序的算法描述如下：

(1) 在显示屏上显示“Booting...”提示信息，同时使软驱复位；

(2) 在磁盘的目录区中寻找LOADER文件；

(3) 若LOADER文件存在，则转(5);

(4) LOADER文件不存在，显示提示信息“Boot fail!”，关闭软驱马达，程序进入死循环；

(5) 将LOADER读到内存0x90000处；

(6) CPU转到0x90000处运行，即将CPU的控制权交给LOADER。

这段程序用汇编语言编写，它经过汇编连接后，使用工具软件，比如debug将其写到软盘的0面0道1扇区。[page]

2.2 LOADER的设计

2.2.1 EXE文件格式

在DOS或Windows环境中，μC/OS-II使用BORLAND C++开发工具，因此，μC/OS-II应用系统的文件采用DOS的EXE格式，在装入μC/OS-II应用系统时，引导程序将按EXE文件格式的要求将内核加载到内存中。EXE文件由两部分组成：文件首部和程序主体。文件首部包含重定位信息和控制信息，它由编译器和连接程序自动生成；程序主体包含代码段、栈段、数据段等，它由EXE启动代码和程序员编的程序构成，它是程序实际运行部分。EXE文件首部内容如表1所示。

表1 EXE文件首部

偏 移

说  明

00-01

EXE型程序标志“MZ”

02-03

文件长度除以512的余数

04-05

文件长度除512的商

06-07

重定位项数

08-09

文件首部长度(单位为节，每16字节为一节)

0A-0B

程序装入后要求高地址内存的最小节数

0C-0D

程序装入后要求高地址内存的最大节数

0E-0F

堆栈段SS的值

10-11

SP的初值

12-13

文件校验和

14-15

IP的初值

16-17

代码段CS的值

18-19

第一个重定位项的位置

1A-1B

覆盖号

1C- 

保留

[18-19]-

重定位表

2.2.2 LOADER程序的设计

LOADER程序实现的主要功能是负责将内核装入到内存指定位置。假定TEST.EXE为带μC/OS-II内核的应用程序的文件名，LOADER 装入程序将首先在磁盘中查找TEST.EXE文件，若找到，将其读入内存地址0x10000开始的空间中。LOADER根据EXE文件首部的重定位表对加载到内存中的程序进行地址重定位后，初始化运行环境，然后转到程序主体的入口处运行。LOADER程序算法描述如下：

(1) 软驱复位，然后在软盘目录表中查找文件TEST.EXE，若找到转(3)；

(2) 在软盘中没有找到TEST.EXE文件，显示信息“Kernel file do not exist!”，关闭软驱马达，程序进入死循环；

(3) 将TEST.EXE程序读到内存0x10000h处；

(4) 根据重定位表对装入内存中的TEST.EXE相关内容进行调整；

(5) 初始化TEST.EXE的运行环境；

(6) 转TEST.EXE入口处，开始运行TEST.EXE；

(7) 结束。[page]

3 移植μC/OS-II

3.1 EXE启动代码的设计

BORLAND C++是μC/OS-II在DOS或Windows环境中的开发工具，在BORLAND c++环境下编译的μC/OS-II应用系统是直接以DOS的EXE文件来执行。EXE文件的程序主体由EXE启动代码和程序员编的程序构成。EXE启动代码的功能是为用户的程序设置初始运行环境。而EXE程序在执行时，依赖于DOS环境，主要原因是EXE启动代码需要调用DOS系统功能请求。若能对 EXE启动代码进行修改，使其脱离DOS运行环境，那么μC/OS-II应用系统就可离开DOS环境。BORLAND c++编译器的EXE启动代码在\BORLANDC\LIB\STARTUP\C0.ASM文件中，对C0.ASM进行修改，使启动代码仅仅为main函数设置好参数后，就调用C程序的main()函数转至μC/OS-II内核处开始引导，这时就完成了EXE启动代码脱离DOS的运行环境。由于μC /OS-II使用大模式进行编译，所以将C0.ASM汇编后的C0L.OBJ复制到\BORLANDC\LIB目录下，即可使编译的μC/OS-II应用系统脱离DOS独立运行。

EXE启动代码默认的栈大小为128字节，若μC/OS-II应用系统在主程序中大量使用栈空间，致使栈溢出，将会发生异常情况。从安全的角度出发，可修改C0.ASM汇编源程序中默认的栈大小，使其足够大，以确保系统的正常运行。

3.2 键盘接收程序的移植

通过上面的步骤，编译出的μC/OS-II应用系统已可以脱离DOS运行，但无法通过键盘实现对程序的控制。经过分析，问题出在μC/OS-II应用系统无法接收键盘输入。经过分析与硬件相关的程序PC.C的源代码，发现键盘输入函数PC_GetKey()是通过 kbhit()和getch()两个C库函数来实现，而这两个函数使用了DOS系统功能请求，为此对函数PC_GetKey进行改造，使其不依赖DOS系统功能请求，而采用BIOS提供的子程序实现。改造后的源程序代码如下：

BOOLEAN PC_GetKey (INT16S *c)

{   if (bioskey(1)!=0) {

        *c=bioskey(0);

        if (*c&0xff)  *c=*c&0x00FF;

        return(TRUE);

    } else {*c=0x00; return(FALSE); }

}

3.3 退出系统的设计

虽然μC/OS-II应用系统可以接收键盘字符了，但仍然无法正常退出系统，主要原因是μC/OS-II应用系统在退出系统时，执行的主要工作是回到DOS环境，但现在它已脱离DOS环境，致使无法正常退出，而系统中的任务都处于活动中，所以从表面上看，μC/OS-II应用系统中的任务仍然处于活动中，为此对PC_DOSSaveReturn()函数进行改进，当用户要求结束运行时，程序控制返回到setjmp(PC_JumpBuf)的下一条语句执行时，完成以下操作步骤：(1) 给调度器上锁，禁止调度器进行调度；(2) 删除空闲任务之外的所有任务；(3) 清屏；(4)显示提示符“μC/OS-II End!”，然后等待用户关机。

4 结束语

本文创新点：在PC机上μC/OS-II应用系统脱离DOS或Windows运行环境的束缚，真正让软件开发人员掌握和理解μC/OS-II实时操作系统的真实情况，虽然笔者是以软盘来实现的，但在实际应用中可以使用磁盘映像文件应用在虚拟机环境中。当然这个移植还不太完善，因为μC/OS-II工作在80X86CPU实模下，其文件大小受到限制，本文将μC/OS-II应用系统装到内存的0x10000至0x90000空间中，要求μC/OS- II应用系统文件的长度不能大于512KB。本文所介绍的方法同样适用于采用80x86CPU的实时控制系统。

参考文献：

[1]Labrosse J J. 邵贝贝译. 源码公开的实时嵌入式操作系统——UC/OS-II(第2 版)[M].北京：北京航空航天大学出版社, 2003.

[2] 于渊.自己动手写操作系统[M].北京:电子工业出版社,2006. 

[3] 顾宝根,王立松,顾喜梅. 操作系统实验教程----核心技术与编程实例[M].北京:科学出版社，2003.

[4] 张森,陈源,陈昌敏.在Linux上模拟μC/OS-II实时操作系统的实现[J]. 微计算机信息,2006,22(8-2):80-82.